Main menu:

Скорость света и принцип относительности

Рассмотрим частицу, движущуюся со скоростью v относительно системы отсчета V. Скорость этой частицы относительно системы F, которая сама движется со скоростью V относительно системы F, равна v - V. Это универсальное правило классической физики, которое применимо как к волнам, так и к частицам. Например, если скорость звуковой волны относительно поверхности Земли равна и, то для наблюдателя, летящего со скоростью V в том же направлении, скорость звуковой волны будет равна v - V. Эксперименты показывают, что этот вывод справедлив даже в том случае, когда V больше v, как это имеет место, например, в случае, когда наблюдатель расположен на борту самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью.

Применим ли этот закон к световым волнам? В 1887 г. А. А. Майкельсон и Э. У. Морли опубликовал результаты эксперимента, дающего ответ на этот вопрос. Когда эксперимент приводит к неожиданному результату, физики задают вопрос: «Следует ли считать этот результат удивительным? На чем основывались ожидания: на неподтвержденных предположениях или на обманчивых аналогиях»? В частности, существует ли причина, по которой простое правило сложения v’ = v - V, применимое для звуковых волн или, скажем, волн на поверхности воды, не выполняется столь же точно для световых волн?

Звуковые волны представляют собой колебания в веществе: газе, жидкости или твердом теле. Они распространяются относительно среды с определенной скоростью, величина которой зависит от свойств и физического состояния среды. Например, скорость звука в газе пропорциональна корню квадратному из температуры газа и обратно пропорциональна корню квадратному из его среднего молекулярного веса. Чтобы вычислить скорость звуковой волны в данной системе отсчета, нужно сложить скорость волны относительно среды со скоростью среды относительно системы отсчета. Те же рассуждения применимы к волнам на поверхности воды, а также к любому другому виду волн в материальной среде. Следовательно, если световые волны также представляют собой возмущения в материальной среде, то можно ожидать, что они будут вести себя точно так же. Тогда система отсчета в которой свет распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях, должна быть такой системой, относительно которой эта среда покоится.

Все выдающиеся физики XVII-XIX вв. верили в существование такой среды - так называемого эфира; это название использовали еще древнегреческие философы для обозначения неосязаемой субстанции, из которой, по их мнению, состоят небесные тела. Гюйгенс построил логичную математическую теорию распространения света в материальной среде, основываясь на аналогии между световыми волнами и волнами на поверхности воды. Ньютон утверждал, что передача тепла внутри полости, из которой откачан воздух, доказывает существование эфира, и высказал предположение, что свет возбуждает периодические колебания в эфире, который передает их твердым телам.

Великий математик Леонард Эйлер (1707-1783) выдвинул гипотезу о том, что эфир передает не только тепло и свет, но и магнитные, электрические силы и гравитацию. Физики, разработавшие в XIX в. новую волновую теорию света, сделали эфир основным предметом экспериментальных и теоретических исследований. Они вдруг обнаружили, что эфир обладает свойствами, не похожими на свойства никакой другой среды (например, свойством передавать только поперечные колебания). Более того, почти каждый качественно новый эксперимент выявлял неожиданные свойства эфира, вынуждая физиков с невероятной изобретательностью пересматривать свои теоретические модели. Даже Джеймс Клерк Максвелл, создатель теории электромагнитного поля, которая объясняла все известные свойства света без каких-либо предположений о свойствах эфира, был абсолютно уверен в его существовании; он написал об эфире обширную статью для Британской энциклопедии. В 1880 г. Максвелл направил МайКельсону письмо, предлагая осуществить эксперимент, который теперь называют экспериментом Майкельсона - Морли.